KR20140008651A - Method for manufacturing carbon nanotube fiber by electrospinning and method for manufacturing organic solar cell using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전기 방사를 이용한 탄소나노튜브 섬유의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄소나노튜브의 함량이 높은 나노섬유를 제공하는 전기 방사를 이용한 탄소나노튜브 섬유의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing carbon nanotube fibers using electrospinning, and more particularly, to a method for manufacturing carbon nanotube fibers using electrospinning to provide nanofibers having a high content of carbon nanotubes.
탄소나노튜브는 탄소층(sheet of graphite)이 원통형으로 말려 속이 빈 튜브형태를 가진 소재이다. 튜브 형태의 이방성 구조 때문에 우수한 강도 및 탄성계수, 뛰어난 전도성, 높은 비표면적 등의 특이한 물성 및 구조를 보이며, 고강도/초경량 복합재료, 전계 효과 트랜지스터, 전극, 2차 전지 및 초고용량 캐패시터 등에 응용력이 뛰어날 것으로 기대되어 차세대 미래소재로 많은 연구가 진행되었다.Carbon nanotubes are materials with a hollow tube shape in which a sheet of graphite is rolled into a cylindrical shape. Due to its tubular anisotropic structure, it exhibits unusual physical properties and structures, such as excellent strength and elastic modulus, excellent conductivity and high specific surface area, and is highly applicable to high strength / lightweight composite materials, field effect transistors, electrodes, secondary batteries and ultra high capacity capacitors. Many researches have been carried out with the next generation of future materials.
특히, 탄소나노튜브의 인장강도는 60 GPa에 달하기 때문에 (Science 2000, 287, 637) 우주 엘레베이터와 같은 미래 산업 재료로서 응용이 가능하다고 알려져 있으며, 높은 종횡비와 전기적 특성은 기존 전자 소재를 뛰어넘는 고성능 전자 소재로 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다. Especially, since the tensile strength of carbon nanotubes reaches 60 GPa (Science 2000, 287, 637), it is known that it can be applied as a future industrial material such as a space elevator. High aspect ratio and electrical characteristics And it is expected to be utilized as a high-performance electronic material.
개개의 탄소나노튜브가 높은 물성을 보임에도 불구하고, 현재까지 탄소나노튜브를 이용한 제품의 상용화는 미비한 수준이다. 이는 탄소나노튜브가 지름은 100 nm 이하이고 길이는 수 um 이하에 불과하여 단일 탄소나노튜브를 사용할 수가 없기 때문에, 제품화를 위해서는 복합재료로 구성해야 하기 때문이다. 복합체를 구성하는 과정에서 탄소나노튜브의 성질을 잃을 뿐 아니라, 강한 반데르발스 힘으로 인한 응집이 문제가 되어 복합체의 물성이 크게 떨어진다.Although individual carbon nanotubes exhibit high physical properties, commercialization of carbon nanotube-based products to date has been insufficient. This is because carbon nanotubes can not be used in a single carbon nanotube because the diameter is less than 100 nm and the length is less than several μm. Not only the properties of the carbon nanotubes are lost in the process of forming the composite, but also the cohesion due to the strong Van der Waals force becomes a problem and the physical properties of the composite are greatly degraded.
탄소나노튜브를 이용하여 섬유를 제작함으로써 탄소나노튜브 본연의 성능을 이끌어내는 방법이 제안된 바 있다. 이는 탄소나노튜브 제조시 조건을 조절하여 정렬도와 배향도가 높은 탄소나노튜브 다발을 만들고, 이로부터 탄소나노튜브 섬유 및 얀(실)을 제작하는 방법이다.A method of deriving the performance of carbon nanotubes by producing fibers using carbon nanotubes has been proposed. This is a method of manufacturing carbon nanotube fibers and yarns from the carbon nanotube bundles by adjusting the conditions of the carbon nanotubes to produce carbon nanotube bundles having high alignment and orientation.
상기 방법은 탄소나노튜브로만 이루어진 섬유 및 얀(실) 제조가 가능하여 복합체 형성 시 나타나는 물성 저하를 최소화 할 수 있기 때문에 Jiang등에 의해 보고 된 이후 (Nature 2002, 419, 801) 많은 연구가 이루어졌다. 그러나 상기 방법은 탄소나노튜브 제조시 높은 배향성과 정렬도를 가지도록 합성해야 하기 때문에 생산성 및 경제적 문제, 물성 조절에 있어서 취약한 단점이 존재한다.A lot of research has been conducted since Jiang et al. (Nature 2002, 419, 801) since the above method can produce fibers and yarns made only of carbon nanotubes and minimize the deterioration of physical properties in formation of composites. However, since the above method must be synthesized so as to have a high degree of orientation and alignment in the production of carbon nanotubes, there are disadvantages in productivity, economic problems, and property control.
한편, 전기 방사법은 방사 용액을 나노 단위의 지름을 가진 섬유로 제조하는 방법으로, 고분자 나노 섬유의 개발에 널리 이용되어 왔다. 전기 방사법을 통해 탄소나노튜브 섬유를 구현하려면 탄소나노튜브로 구성된 방사 용액을 준비하여야 하나, 탄소나노튜브로 방사 용액을 준비하였을 경우 전기 방사에 부적합한 점도와 낮은 분산성으로 인한 응집 부분의 발현으로 전기 방사가 불가능하다. 이를 극복하고자 분산이 가능할 수준으로 탄소나노튜브의 비율을 줄이고 고분자를 첨가하면 방사는 가능하나, 열처리 이후에도 탄소나노튜브의 비율이 10 wt%도 되지 않아 탄소나노튜브 섬유라기 보다는 탄소나노튜브가 포함된 복합체 섬유 형태에 불과한 실정이다.On the other hand, the electrospinning method has been widely used for the development of polymer nanofibers as a method of producing spinning solution with fibers having a diameter of nano unit. In order to realize carbon nanotube fibers by electrospinning, a spinning solution composed of carbon nanotubes should be prepared. However, when a spinning solution is prepared with carbon nanotubes, It is impossible to radiate. In order to overcome this problem, it is possible to reduce the ratio of carbon nanotubes to a level that can be dispersed. When the polymer is added, radiation can be performed. However, since the ratio of carbon nanotubes after heat treatment is not more than 10 wt%, carbon nanotubes It is a complex fiber type.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 이루고자 하는 기술적 과제는 탄소나노튜브의 함량이 높은 전기 방사를 이용한 탄소나노튜브 섬유의 제조방법을 제공하는 것이다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems occurring in the prior art, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing carbon nanotube fibers using electrospinning with a high content of carbon nanotubes.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 용액 공정을 통해 상온·상압 하에서 생산이 가능한 전기 방사를 이용한 탄소나노튜브 섬유의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing carbon nanotube fibers using electrospinning which can be produced at room temperature or atmospheric pressure through a solution process.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 방사를 이용한 탄소나노튜브 섬유의 제조방법은, 탄소 전구체 고분자를 이용하여 탄소나노튜브를 표면 개질하는 단계, 상기 탄소나노튜브를 분산액에 분산하는 단계, 상기 분산액에 보조 고분자를 첨가하여 방사용액을 생성하는 단계, 상기 방사용액을 전기방사하여 나노섬유를 생성하는 단계, 상기 나노섬유에서 상기 보조 고분자를 제거하는 단계, 및 상기 나노섬유에 포함된 상기 탄소 전구체 고분자를 탄화시켜 상기 탄소나노튜브 사이를 연결하는 연결유닛으로 변환하는 단계를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing carbon nanotube fibers using electrospinning, the method comprising: surface-modifying a carbon nanotube using a carbon precursor polymer; Dispersing the nanofibers in the nanofibers, adding a supplementary polymer to the dispersion to generate a spinning solution, electrospinning the spinning solution to generate nanofibers, removing the nanoparticles from the nanofibers, And carbonizing the carbon precursor polymer to convert the carbon nanotubes into a connecting unit connecting the carbon nanotubes.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.The details of other embodiments are included in the detailed description and drawings.
상기와 같은 본 발명의 전기 방사를 이용한 탄소나노튜브 섬유의 제조방법에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.According to the manufacturing method of the carbon nanotube fiber using electrospinning of the present invention, one or more of the following effects can be obtained.
본 발명에 따르면, 기존의 화학적 기상 증착법으로 형성된 탄소나노튜브 섬유와는 달리 시판된 탄소나노튜브를 이용하여 상온·상압하에서 탄소나노튜브 섬유의 제작이 가능하다.According to the present invention, it is possible to manufacture carbon nanotube fibers at room temperature and atmospheric pressure by using commercially available carbon nanotubes, unlike carbon nanotube fibers formed by the conventional chemical vapor deposition method.
또한 전기방사를 통한 탄소나노튜브-고분자 복합체 나노섬유와는 달리 탄소나노튜브의 함량이 높게 구성된 나노섬유를 얻을 수 있다. 이와 같이 준비된 탄소나노튜브 섬유는 전도성 재료, 구조 재료 등에 유용하게 사용될 수 있다.Unlike carbon nanotube-polymer composite nanofibers obtained by electrospinning, nanofibers having a high content of carbon nanotubes can be obtained. The carbon nanotube fibers thus prepared can be usefully used for conductive materials, structural materials, and the like.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 방사를 이용한 탄소나노튜브 섬유의 제조방법을 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 2는 도 1의 제조방법을 통해 얻어진 탄소나노튜브 섬유의 SEM 사진이다.
도3은 도 1의 제조방법을 통해 얻어진 탄소나노튜브 섬유의 저배율 SEM 사진이다.
도 4는 도 1의 제조방법을 통해 얻어진 탄소나노튜브 섬유의 고배율 SEM 사진이다.FIG. 1 is a schematic view schematically illustrating a method of manufacturing carbon nanotube fibers using electrospinning according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
2 is an SEM photograph of carbon nanotube fibers obtained through the manufacturing method of FIG.
3 is a low-magnification SEM photograph of carbon nanotube fibers obtained through the manufacturing method of FIG.
4 is a high-magnification SEM photograph of carbon nanotube fibers obtained through the manufacturing method of FIG.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail with the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims.
아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다. 도면에 관계없이 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. &Quot; and / or "include each and every combination of one or more of the mentioned items. ≪ RTI ID = 0.0 >
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 방사를 이용한 탄소나노튜브 섬유의 제조방법에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 방사를 이용한 탄소나노튜브 섬유의 제조방법을 개략적으로 나타내는 모식도이다.Hereinafter, a method of manufacturing carbon nanotube fibers using electrospinning according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic view schematically illustrating a method of manufacturing carbon nanotube fibers using electrospinning according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기 방사를 이용한 탄소나노튜브 섬유의 제조방법은, 탄소 전구체 고분자를 이용하여 탄소나노튜브를 표면 개질하는 단계, 상기 탄소나노튜브를 분산액에 분산하는 단계, 상기 분산액에 보조 고분자를 첨가하여 방사용액을 생성하는 단계, 상기 방사용액을 전기방사하여 나노섬유를 생성하는 단계, 상기 나노섬유에서 상기 보조 고분자를 제거하는 단계, 및 상기 나노섬유에 포함된 상기 탄소 전구체 고분자를 탄화시켜 상기 탄소나노튜브 사이를 연결하는 연결유닛으로 변환하는 단계를 포함한다.The method for preparing carbon nanotube fibers using electrospinning according to an embodiment of the present invention includes the steps of: surface-modifying carbon nanotubes using a carbon precursor polymer; dispersing the carbon nanotubes in a dispersion; The nanofiber includes a nanofiber, a nanofiber, and a nanoparticle. The nanofiber includes nanoparticles, nanoparticles, nanoparticles, nanoparticles, nanoparticles, nanoparticles, nanoparticles, nanoparticles, nanoparticles, nanoparticles, And carbonizing the carbon nanotubes to convert the carbon nanotubes into connecting units connecting the carbon nanotubes.
연결유닛은 탄소 전구체 고분자가 탄화되어 생성된 흑연층을 포함할 수 있다. 구체적으로, 탄소 전구체 고분자는 분산성 향상을 위해 탄소나노튜브의 표면을 개질하며, 여분의 탄소 전구체 고분자는 열처리 후 탄소나노튜브를 연결하는 흑연층으로 변환될 수 있다. 또한, 보조 고분자는 방사 용액의 점도 향상을 위해 첨가되며, 열처리 후 제거될 수 있다.The connecting unit may comprise a graphite layer produced by carbonizing the carbon precursor polymer. Specifically, the carbon precursor polymer may modify the surface of the carbon nanotube to improve dispersibility, and the excess carbon precursor polymer may be converted to a graphite layer that connects the carbon nanotubes after the heat treatment. In addition, the auxiliary polymer is added to improve the viscosity of the spinning solution and can be removed after the heat treatment.
이를 위해, 연결유닛으로 변환하는 단계 또는 보조 고분자를 제거하는 단계는, 나노섬유를 1000℃ 내지 2500℃에서 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.To this end, the step of converting into the connecting unit or removing the auxiliary polymer may include heat treating the nanofibers at 1000 ° C to 2500 ° C.
또한, 탄소나노튜브 섬유(나노 섬유)는 1 nm 내지 10 um의 지름을 가질 수 있으며, 탄소나노튜브 섬유(나노 섬유) 내의 탄소나노튜브 함량이 20wt% 이상일 수 있다.The carbon nanotube fiber (nanofiber) may have a diameter of 1 nm to 10 μm, and the carbon nanotube content in the carbon nanotube fiber (nanofiber) may be 20 wt% or more.
구체적으로 도 1을 참조하면, 본 실시예에서 이용되는 방사용 용액(110)에 사용된 탄소나노튜브의 종류에는 제한이 없으며, 알려진 다양한 탄소나노튜브를 모두 사용할 수 있다. 탄소나노튜브는 준비된 상태 그대로 사용할 수 있으며, 산처리와 같은 화학적 표면 개질 후에도 사용가능하다.Specifically, referring to FIG. 1, the type of carbon nanotubes used in the
탄소 전구체 고분자는 폴리 아크릴로 니트릴(Polyacrylonitrile), 폴리 아크릴로 니트릴-메틸 아크릴레이트 공중합체 (Poly (acrylinitrile-co-methyl acrylate)), 셀룰로오스(Cellulose), 폴리 비닐 피롤리돈 (Polyvinylpyrrolidone), 폴리 비닐 알코올 (Polyvinylalcohol), 폴리 스티렌 (Polystyrene), 폴리 비닐 클로라이드 (Polyvinylchloride) 중 하나 이상 포함하는 물질로, 열처리를 통해 탄소층을 남기는 고분자는 모두 사용 가능하다.The carbon precursor polymer may be selected from the group consisting of polyacrylonitrile, polyacrylonitrile-co-methyl acrylate (co), cellulose, polyvinylpyrrolidone, Polymers that contain at least one of alcohol (polyvinylalcohol), polystyrene, and polyvinylchloride and which leave a carbon layer through heat treatment are all usable.
보조 고분자로는 폴리 아크릴레이트계 (Poly acryliate), 폴리 에틸렌 옥사이드 (Polyethylene oxide) 중 하나 이상 포함하는 물질로, 열처리 이후 잔여물이 남지 않는 고분자는 모두 사용 가능하다.As the auxiliary polymer, a material containing at least one of polyacrylate and polyethylene oxide may be used, and any polymer remaining after the heat treatment may be used.
방사용 용액(110)에 사용되는 용매로는 탄소 전구체 고분자와 보조 고분자를 녹이는 용매가 사용될 수 있다.As the solvent used in the
탄소나노튜브의 표면개질 및 분산은 탄소 전구체 고분자와 탄소나노튜브를 용매에 녹인 상태에서, 초음파 분산법, 균질기 등을 이용한 다양한 공지의 방법의 시행 후, 원심분리기를 통해 미분산된 탄소나노튜브의 제거를 통해 이루어진다.The surface modification and dispersion of carbon nanotubes can be carried out by various known methods using ultrasonic dispersion method, homogenizer or the like in the state where carbon precursor polymer and carbon nanotube are dissolved in a solvent, Lt; / RTI >
본 실시예에 따른 용액의 준비과정에 있어서, 탄소나노튜브와 탄소 전구체 고분자의 비율은 1:9 이상일 수 있다. 보조 고분자의 함량은 전기방사를 수행할 수 있는 범위라면 특별한 제한은 없다.In the preparation of the solution according to this embodiment, the ratio of the carbon nanotubes to the carbon precursor polymer may be 1: 9 or more. The content of the auxiliary polymer is not particularly limited as far as it can perform electrospinning.
고전압 장치(120)로부터 5kV 내지 40kV의 전압이 노즐(130)에 인가된다. 컬렉터(150)은 접지되거나 음전위가 걸려야 한다. 방사가 이루어지는 동안 노즐(130)과 컬렉터(150)사이의 거리는 1cm 내지 40cm의 거리를 유지하는 것이 바람직하다.A voltage of 5 kV to 40 kV is applied to the
노즐에서 나오는 용액의 유량은 0.1 ml/h 내지 5.0 ml/h가 되어야 한다. 보다 바람직하게는, 생산성 향상을 위해 다중 노즐을 이용하여 더 빠르게 방사할 수 있다.The flow rate of the solution from the nozzle should be between 0.1 ml / h and 5.0 ml / h. More preferably, multiple nozzles can be used to spin faster to improve productivity.
컬렉터(150)는 평판 컬렉터, 드럼형 컬렉터, 배쓰형 컬렉터 등 전도성 물질로 제조된 형태면 모두 사용가능하며, 필요에 따라 드럼(160)을 통해 섬유의 꼬임을 유도하여 보다 굵은 섬유의 제작이 가능하다.The
상기와 같은 과정을 마친 나노섬유는 2500℃에서 열처리를 통해 보조 고분자가 제거되고 탄소 전구체 고분자는 일부만 흑연층으로 잔류하게 됨으로서 본 실시예에 따른 탄소나노튜브 섬유가 구성된다.The nanofibers having been subjected to the above-mentioned processes are heat-treated at 2500 ° C. to remove the auxiliary polymer, and the carbon precursor polymer partially remains in the graphite layer, thereby forming the carbon nanotube fibers according to the present embodiment.
몇몇 다른 예에서, 나노섬유는 인장력에 의해 연신되면서 산소 분위기 300℃ 에서 안정화 과정을 거치고, 질소나 아르곤과 같은 비활성 기체 분위기 1000℃ 내지 2500℃에서 탄화처리 될 수 있다.In some other examples, the nanofibers undergo a stabilization process at 300 DEG C in an oxygen atmosphere while being stretched by a tensile force, and can be carbonized at 1000 DEG C to 2500 DEG C in an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon.
본 발명은 후술하는 실험예에 의하여 더욱 구체화될 것이다.
The present invention will be further illustrated by the following experimental examples.
실험예Experimental Example 1 One
N,N-디메틸포름아미드(대정케미칼 제품) 2.0g에 폴리 아크릴로 니트릴 0.16g(Aldrich사 제품)을 80℃에서 녹여서 만들어진 고분자 용액에 탄소나노튜브(한화 나노텍 제품) 0.02g을 넣고 20분간 초음파 분산기를 이용하여 탄소나노튜브의 표면 개질을 유도한다.0.02 g of carbon nanotube (product of Hanwha Nanotech Co., Ltd.) was added to 2.0 g of N, N-dimethylformamide (manufactured by Daejeon Chemical Co., Ltd.) and 0.16 g of polyacrylonitrile (manufactured by Aldrich) The surface modification of the carbon nanotubes is induced by using a dispersing machine.
탄소나노튜브가 분산된 용액을 10000 rpm에서 30분간 원심분리를 진행하여 분산된 용액만 취함으로써 미분산된 탄소나노튜브를 제거한다.The solution in which the carbon nanotubes are dispersed is centrifuged at 10,000 rpm for 30 minutes to remove only the dispersed solution to remove the finely dispersed carbon nanotubes.
분산된 용액에 폴리 메틸 메타크릴레이트 0.24g(Aldrich사 제품)을 녹여 방사 용액을 만든다.0.24 g of polymethylmethacrylate (manufactured by Aldrich) is dissolved in the dispersed solution to prepare a spinning solution.
전기 방사 기기를 이용하여, 25kV의 전압을 컬렉터로부터 20cm 떨어진 노즐에 인가한다. 이 때 노즐의 직경은 0.2mm이며 1.0ml/h의 속도로 방사된다. 컬렉터에 모인 섬유를 드럼을 통해 실의 형태로 변환한다.Using a electrospinning apparatus, a voltage of 25 kV is applied to the nozzle 20 cm away from the collector. At this time, the diameter of the nozzle is 0.2 mm and is emitted at a rate of 1.0 ml / h. Converts the fibers collected in the collector to the form of yarn through the drum.
이와 같이 얻어진 방사된 나노섬유를 노(furnace)에 옮겨 산소 분위기에서 분당 1℃ 속도로 승온하며 300℃ 에서 한 시간 동안 열처리를 진행하고, 질소 분위기로 전환하여 분당 5℃ 속도로 승온하여 1000℃ 에서 한 시간 동안 열처리를 진행한다.The radiated nanofibers thus obtained were transferred to a furnace, heated at a rate of 1 ° C per minute in an oxygen atmosphere, heat-treated at 300 ° C for one hour, converted into nitrogen atmosphere, heated at a rate of 5 ° C per minute, Heat treatment is carried out for one hour.
도 2는 위의 방사과정 및 열처리를 통해 얻어진 탄소나노튜브 섬유의 SEM 사진이다. 탄소나노튜브가 모여 300nm 가량의 지름을 가진 연속적인 나노섬유를 형성함을 알 수 있다.2 is a SEM photograph of carbon nanotube fibers obtained through the above spinning process and heat treatment. It can be seen that carbon nanotubes gather to form continuous nanofibers having a diameter of about 300 nm.
도 3은 얻어진 탄소나노튜브 섬유를 저배율로 관찰한 것으로, 실의 형태로 만들어지면서 한쪽 방향으로 정렬된 탄소나노튜브 섬유가 고른 형상을 가지고 있는 것을 확인할 수 있다.FIG. 3 shows the obtained carbon nanotube fibers observed at a low magnification, and it can be confirmed that the carbon nanotube fibers aligned in one direction have a uniform shape while being formed into a yarn shape.
도 4는 탄소나노튜브 섬유 가닥이 꼬여서 만들어진 실의 형태로, 열처리 이전에 형성했던 모양을 열처리 이후에도 잘 유지하고 있음을 확인할 수 있다.FIG. 4 shows that the shape formed before the heat treatment is maintained even after the heat treatment, in the form of a yarn formed by twisting carbon nanotube fiber strands.
이와 같이, 본 실시예에 따르면, 시판된 탄소나노튜브를 이용하여 상온 및 상압하에서 탄소나노튜브 섬유의 제작이 가능하다.As described above, according to this embodiment, carbon nanotube fibers can be produced at room temperature and atmospheric pressure using commercially available carbon nanotubes.
또한 전기방사를 통한 탄소나노튜브-고분자 복합체 나노섬유와는 달리 탄소나노튜브의 함량이 높게 구성된 나노섬유를 얻을 수 있다.Unlike carbon nanotube-polymer composite nanofibers obtained by electrospinning, nanofibers having a high content of carbon nanotubes can be obtained.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.It will be understood by those skilled in the art that the present invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the foregoing detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and the equivalents thereof are included in the scope of the present invention Should be interpreted.
Claims (7)
상기 탄소나노튜브를 분산액에 분산하는 단계;
상기 분산액에 보조 고분자를 첨가하여 방사용액을 생성하는 단계;
상기 방사용액을 전기방사하여 나노섬유를 생성하는 단계;
상기 나노섬유에서 상기 보조 고분자를 제거하는 단계; 및
상기 나노섬유에 포함된 상기 탄소 전구체 고분자를 탄화시켜 상기 탄소나노튜브 사이를 연결하는 연결유닛으로 변환하는 단계를 포함하는, 전기 방사를 이용한 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.Surface modifying carbon nanotubes using a carbon precursor polymer;
Dispersing the carbon nanotubes in a dispersion;
Adding an auxiliary polymer to the dispersion to produce a spinning solution;
Electrospinning the spinning solution to produce nanofibers;
Removing the auxiliary polymer from the nanofibers; And
And carbonizing the carbon precursor polymer contained in the nanofibers to convert the carbon precursor polymer into a connecting unit connecting between the carbon nanotubes.
상기 탄소 전구체 고분자는,
폴리 아크릴로 니트릴(Polyacrylonitrile), 폴리 아크릴로 니트릴-메틸 아크릴레이트 공중합체 (Poly (acrylinitrile-co-methyl acrylate)) 셀룰로오스(Cellulose), 폴리 비닐 피롤리돈 (Polyvinylpyrrolidone), 폴리 비닐 알코올 (Polyvinylalcohol), 폴리 스티렌 (Polystyrene) 및 폴리 비닐 클로라이드 (Polyvinylchloride) 중 하나 이상 포함하는, 전기 방사를 이용한 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.The method of claim 1,
The carbon precursor polymer may include,
Polyacrylonitrile, polyacrylonitrile-co-methyl acrylate) cellulose, polyvinylpyrrolidone, polyvinylalcohol, polyvinylpyrrolidone, polyvinylpyrrolidone, A method for producing carbon nanotube fibers by electrospinning, comprising at least one of polystyrene and polyvinylchloride.
상기 보조 고분자는 보조 고분자로는 폴리 아크릴레이트계 (Poly acryliate) 및 폴리 에틸렌 옥사이드 (Polyethylene oxide) 중 하나 이상을 포함하는, 전기 방사를 이용한 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.The method of claim 1,
Wherein the auxiliary polymer comprises at least one of a polyacrylate and a polyethylene oxide as the auxiliary polymer.
상기 나노섬유를 생성하는 단계는,
전기방사기기의 노즐과 컬렉터 사이의 전위차를 5kv 내지 40kV, 거리를 1cm 내지 40cm, 노즐의 직경을 0.1mm 내지 2mm, 유량을 0.1ml/h 내지 5.0ml/h으로 설정하여 전기방사를 수행하는, 전기 방사를 이용한 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.The method of claim 1,
Wherein the step of forming the nanofibers comprises:
The electrospinning is carried out by setting the potential difference between the nozzle and the collector of the electrospinning device to 5 to 40 kV, the distance of 1 to 40 cm, the diameter of the nozzle to 0.1 to 2 mm, and the flow rate to 0.1 to 5.0 ml / Method of manufacturing carbon nanotube fibers using electrospinning.
상기 연결유닛으로 변환하는 단계 또는 상기 보조 고분자를 제거하는 단계는,
상기 나노섬유를 1000℃ 내지 2500℃에서 열처리하는 단계를 포함하는, 전기 방사를 이용한 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.The method of claim 1,
The step of converting into the connecting unit or the step of removing the auxiliary polymer may include:
And heat treating the nanofibers at 1000 ° C to 2500 ° C.
상기 나노섬유 내의 상기 탄소나노튜브 함량이 20wt% 이상인, 전기 방사를 이용한 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.The method of claim 1,
Wherein the content of the carbon nanotubes in the nanofibers is 20 wt% or more.
상기 연결유닛은 상기 탄소 전구체 고분자가 탄화되어 생성된 흑연층을 포함하는, 전기 방사를 이용한 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.The method of claim 1,
Wherein the connecting unit includes a graphite layer produced by carbonizing the carbon precursor polymer.
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